報道関係者各位平成 24 年 4 月 13 日筑波大学ナノ材料で Cs( セシウム ) イオンを結晶中に捕獲研究成果のポイント : 放射性セシウム除染の切り札になりうる成果セシウムイオンを効率的にナノ空間ナノの檻にぴったり収容して捕獲除去国立大学法人筑波大学学長山田信博 ( 以下筑

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1 平成 24 年 4 月 13 日報道関係者各位筑波大学

ナノ材料で Cs（セシウム）イオンを結晶中に捕獲

研究成果のポイント：放射性セシウム除染の切り札になりうる成果セシウムイオンを効率的にナノ空間、ナノの檻にぴったり収容して捕獲、除去国立大学法人筑波大学【学長山田信博】（以下「筑波大学」という）数理物質系【系長三明康郎】守友浩教授は、プルシャンブルー類似体を用いて、水溶液中に溶けている Cs（セシウム）イオンを高効率で結晶内に捕獲・沈殿することに成功しました。この特性を利用することにより、効率のよい放射性セシウム除染法の開発が期待されます。染料などとして広く使用されているプルシャンブルーの類似体*１_{では、二種類の遷} 移金属がシアノ基に架橋されたジャングルジム構造をしています。このジャングルジムのナノ空間の中に、アルカリ金属イオンや水分子を収容することができます。本研究では、このナノ空間のサイズをセシウムイオンの大きさに合わせることにより、水溶液中に溶けているセシウムイオンを高い効率でジャングルジム構造の中に閉じ込めることに成功しました。セシウムイオンが低濃度で溶けている水溶液では、プルシャンブルー類似体の原料を 5mmol/L（１リットル当たり５ミリモル）混合することにより、セシウムイオンの濃度を十万分の1 にすることができます。また、セシウムイオンが高濃度で溶けている水溶液では、そこにプルシャンブルー類似体の原料 1g を混合することにより、水溶液中からおよそ 0.4g のセシウムを取り除くことができます。プルシャンブルー化合物は、鉄、マンガン、亜鉛、炭素、窒素、といった安価な元素だけで構成されており、同化合物を利用したセシウム捕獲法は低コストの放射性セシウム除染プロセスとして期待されます。今後、本研究グループでは、結晶成長を超音波や光等の外部刺激で制御する方法を研究し、安全で効率的な放射性セシウム除染システムの開発を目指します。本研究は、筑波大学の守友浩教授らによる成果で、応用物理学会が発行する雑

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2 １．研究の背景現在我が国では、放射性セシウムの除去がきわめて重要な問題の１つとなっていまます。水溶液中に溶解しているセシウムイオンを除去する方法には、沈殿法*２_、イオン交換法*3_、吸着法*4_{、蒸発法、等があります。中でも、イオン交換法や吸着法は、} 簡便で高効率であるため最も多く利用されています。これらの方法では、多孔質なゼオライトやプルシャンブルー類似体が活物質*5_{として利用されています。しかしなが} ら、イオン交換法や吸着法ではセシウムイオンが活物質の表面付近に付着するだけなので、再溶解・再汚染の問題が生じます。そこで私たちは、セシウムイオンを結晶内部にしっかりと捕獲する沈殿法を検討しました。本研究グループは、これまでジャングルジム構造（図１）を有するプルシャンブルー化合物に着目し、系統的な研究を進めてきました。この化合物は、ジャングルジム内のナノ空間にアルカリ金属イオンや水分子を収容することができます。そこで、遷移金属イオンの大きさを利用してジャングルジムの大きさをセシウムイオンの大きさ(1.74 オングストローム)に合わせることにより、セシウムイオンを高効率で捕獲できないかと考えました。２．研究内容と成果実験方法は簡単（図２参照）です。１．水溶液中に一定濃度（初期濃度）のセシウムイオンを溶解する。２．プルシャンブルー類似体の原料の正イオンと負イオンを、それぞれ、5mmol/L 加える。３．生じた沈殿物を除去する。４．水溶液中に残留しているセシウムイオン濃度（最終濃度）を調べる。セシウムイオンの初期濃度 1ppm*6_{の水溶液に、負イオンとしてフェリシアンイオ} ン（[FeIII_(CN)₆_]3-_{）、正イオンとして二価の遷移金属（}_FeII_、_NiII_、_CuII_、_ZnII_、_CoII_、 MnII_{）を加えました。二価の遷移金属のイオン半径を横軸にして、セシウムイオンの} 最終濃度を図３にプロットしました。イオン半径*7_の大きな_ZnII_、_CoII_、_MnII_において、セシウムイオン濃度が0.004ppm まで低下していることがわかりました。さらに、初期濃度を10ppm と 100ppm として、セシウムイオン捕獲効率の高い ZnII_、 CoII_、MnII_{に関して実験を行いました。結果を図４に示します。Zn}II_{（亜鉛イオン）} と MnII_{（マンガンイオン）は、水溶液中のセシウムイオン濃度を大幅に減らすこと} ができます。特に、MnII _{を用いることにより、}_{100ppm のセシウムイオン濃度が} 0.001ppm まで低下しました。つまり、セシウムイオン濃度を十万分の 1 にすることができたことになります。高濃度のセシウムイオンに対する濃度減少幅が大きいMnII_{について、セシウム吸} 着率を評価しました。その結果を図５に示します。セシウム吸着率とは、1g の活物質が吸着できるセシウムの重量（単位は mg）です。セシウムイオンの初期濃度が

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3 4mmol/L を超える水溶液では、1g の活物質でおよそ 0.4g のセシウムを除去できます。 1mmol/L は 134ppm に対応します。３．今後の展開本研究においては、マンガンプルシャンブルー類似体または亜鉛プルシャンブルー類似体を用いて、水溶液中に溶けているセシウムイオンを高効率で結晶内に捕獲・沈殿することに成功しました。今後、本研究グループでは、結晶成長を超音波や光等の外部刺激で制御する方法を研究し、低濃度でも放射性セシウムを効率よく除染できるシステムの開発を目指します。ここで紹介した研究は、文部科学省科学研究費補助金基盤研究（A）「シアノ架橋金属錯体界面を通じた物質移動と電場誘起機能性」（研究代表者：守友浩）（２１２４４０５２）の研究テーマの成果です。４．掲載論文

題名：Cs+ _{Trapping in Size-Controlled nanospace of Hexacyanoferrates}

日本語訳：サイズ制御されたプルシャンブルー類似体中へのCs イオン捕獲

著者：Ayako Omura（大村彩子）and Yutaka Moritomo (守友浩)

ジャーナル名： Applied Physics Express

発行日:2012 年 4 月 13 日５．参考資料

図1：プルシャンブルー化合物のジャングルジム構造。赤丸と青丸は遷移金属、棒は

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4 図２：実験方法の概念図。水溶液中に一定濃度（初期濃度）のCs（セシウム）イオンを溶解する。プルシャンブルー類似体の原料の正イオンと負イオンを、それぞれ、 5mmol/L 加える。沈殿物を除去する。水溶液中に残留している Cs 濃度（最終濃度）を調べる。

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0.6

0.7

0.8

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

イオン半径 (Å)

最終濃度

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ppm

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p

m

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